DE102019123886A1

DE102019123886A1 - Optoelektronisches bauelement und verfahren zur herstellung eines optoelektronischen bauelements

Info

Publication number: DE102019123886A1
Application number: DE102019123886.2A
Authority: DE
Inventors: Ivar Tångring
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2019-09-05
Filing date: 2019-09-05
Publication date: 2021-03-11
Also published as: CN114287066A; US20220271202A1; WO2021043901A1

Abstract

In mindestens einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Bauelement (100) einen Träger (1) mit einer Montagefläche (10), einen optoelektronischen Halbleiterchip (2), eine dielektrische Schutzschicht (31) und eine dielektrische Verkapselung (32). Die Schutzschicht ist in einem Chipmontagebereich (11) direkt auf die Montagefläche aufgebracht. Der Halbleiterchip ist im Chipmontagebereich auf die Schutzschicht aufgebracht und elektrisch leitend mit dem Träger verbunden. Die Verkapselung ist in einem Bereich neben dem Chipmontagebereich direkt auf die Montagefläche aufgebracht und in einem Überlappbereich (312) direkt auf die Schutzschicht aufgebracht.

Description

Es werden ein optoelektronisches Bauelement und ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein optoelektronisches Bauelement anzugeben, bei dem der Träger gut vor Korrosion geschützt ist. Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen optoelektronischen Bauelements anzugeben.
Zunächst wird das optoelektronische Bauelement angegeben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Bauelement einen Träger mit einer Montagefläche. Die Montagefläche bildet eine Oberseite des Trägers oder zumindest einen Abschnitt einer Oberseite des Trägers. Beispielsweise ist die Montagefläche eine Bodenfläche in einer Ausnehmung des Trägers. Die Montagefläche ist bevorzugt eben oder im Wesentlichen eben. Der Träger ist die oder eine das Bauelement stabilisierende Komponente.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Bauelement einen optoelektronischen Halbleiterchip. Bevorzugt emittiert der Halbleiterchip im bestimmungsgemäßen Betrieb elektromagnetische Primärstrahlung, beispielsweise im sichtbaren Spektralbereich oder im UV-Bereich oder im infraroten Bereich. Bei dem optoelektronischen Bauelement handelt es sich insbesondere um eine LED. Das optoelektronische Bauelement kann zum Beispiel in einem Scheinwerfer, beispielsweise eines Kraftfahrzeuges, oder in einem Blitzlicht, beispielsweise eines Mobiltelefons, verwendet werden.
Unter einem Halbleiterchip wird hier und im Folgenden ein separat handhabbares und elektrisch kontaktierbares Element verstanden. Ein Halbleiterchip entsteht durch Vereinzelung aus einem Waferverbund. Insbesondere weisen Seitenflächen eines solchen Halbleiterchips dann zum Beispiel Spuren aus dem Vereinzelungsprozess des Waferverbunds auf. Ein Halbleiterchip umfasst bevorzugt genau einen ursprünglich zusammenhängenden Bereich einer im Waferverbund gewachsenen Halbleiterschichtenfolge. Die Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterchips ist bevorzugt zusammenhängend ausgebildet. Die Ausdehnung des Halbleiterchips, gemessen parallel zur Haupterstreckungsebene des Halbleiterchips, ist beispielsweise höchstens 5 % oder höchstens 10 % oder höchstens 20 % größer als die Ausdehnung der Halbleiterschichtenfolge, gemessen parallel zur Haupterstreckungsebene der Halbleiterschichtenfolge.
Die Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterchips basiert beispielsweise auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial, insbesondere auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial. Die Halbleiterschichtenfolge umfasst eine aktive Schicht, in der im bestimmungsgemäßen Betrieb beispielsweise die elektromagnetische Primärstrahlung erzeugt wird. Die aktive Schicht beinhaltet insbesondere wenigstens einen pn-Übergang und/oder mindestens eine Quantentopfstruktur in Form eines einzelnen Quantentopfs, kurz SQW, oder in Form einer Multi-Quantentopfstruktur, kurz MQW.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Bauelement eine dielektrische Schutzschicht sowie eine dielektrische Verkapselung. Die Schutzschicht und/oder die Verkapselung sind bevorzugt transparent oder transluzent für die Primärstrahlung und/oder für eine in dem Bauelement erzeugte Sekundärstrahlung. Die Schutzschicht weist beispielsweise überall entlang ihrer Erstreckung eine Dicke zwischen einschließlich 5 nm und 500 nm, bevorzugt zwischen einschließlich 5 nm und 200 nm, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 20 nm und 200 nm auf. Eine Schicht weist insbesondere eine im Wesentlichen konstante Dicke über ihre gesamte Erstreckung mit Abweichungen von höchstens 30 % von der mittleren Dicke auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Schutzschicht in einem Chipmontagebereich direkt auf die Montagefläche aufgebracht. Die Schutzschicht ist bevorzugt zusammenhängend und ohne Unterbrechungen ausgebildet. Der Chipmontagebereich ist kleiner als die Montagefläche. Der Chipmontagebereich des Trägers ist bevorzugt zumindest teilweise durch Metall gebildet. Die Schutzschicht bedeckt bevorzugt den gesamten Chipmontagebereich. Die Schutzschicht dient insbesondere zum Schutz des darunter liegenden Trägers vor Korrosion.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Halbleiterchip im Chipmontagebereich auf die Schutzschicht aufgebracht und elektrisch leitend mit dem Träger verbunden. Zum Beispiel ist der Halbleiterchip auf die Schutzschicht aufgeklebt. Der Halbleiterchip ist in seinen lateralen Abmessungen, gemessen parallel zur Montagefläche, bevorzugt kleiner als die Schutzschicht. Bevorzugt ist der Halbleiterchip so auf die Schutzschicht aufgebracht, dass, in einer Draufsicht auf die Montagefläche betrachtet, die Schutzschicht überall rings um den Halbleiterchip hervorsteht. Bevorzugt erstreckt sich die Schutzschicht im gesamten Bereich zwischen dem Träger und dem Halbleiterchip zusammenhängend und ohne Unterbrechungen.
Der Halbleiterchip ist mit dem Träger elektrisch leitend verbunden. Bevorzugt ist der Halbleiterchip über den Träger elektrisch kontaktierbar und bestrombar. Beispielsweise weist der Träger an einer der Montagefläche gegenüberliegenden Rückseite Kontaktstellen oder Lötflächen zur externen elektrischen Kontaktierung des Bauelements auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Verkapselung in einem Bereich neben dem Chipmontagebereich direkt auf die Montagefläche aufgebracht. In einem Überlappbereich ist die Verkapselung außerdem direkt auf die Schutzschicht aufgebracht. Das heißt, in dem Überlappbereich ist ein Abschnitt der Schutzschicht zischen dem Träger und der Verkapselung angeordnet. Die Verkapselung ist vom Bereich neben dem Chipmontagebereich bis zum Überlappbereich bevorzugt zusammenhängend und ohne Unterbrechungen ausgebildet.
Die Verkapselung dient zum Schutz der Montagefläche vor Korrosion im Bereich neben dem Chipmontagebereich. Die Verkapselung ist bevorzugt auf einen metallischen Bereich der Montagefläche aufgebracht. Besonders bevorzugt sind die Schutzschicht und die Verkapselung derart auf der Montagefläche aufgebracht, dass sie zusammen alle metallischen Bereiche der Montagefläche, bevorzugt sogar die ganze Montagefläche, bedecken. Im Überlappbereich ist eine Grenzfläche zwischen der Schutzschicht und der Verkapselung ausgebildet, die beispielsweise mithilfe eines Mikroskops optisch sichtbar ist.
Das Bauelement kann einen oder mehrere weitere optoelektronische Halbleiterchips umfassen. Alle hier und im Folgenden gemachten Angaben zu dem einen Halbleiterchip können entsprechend für den oder die weiteren Halbleiterchips gelten. Insbesondere kann der zumindest eine weitere Halbleiterchip im Chipmontagebereich auf derselben Schutzschicht wie der Halbleiterchip angeordnet sein. Weiter kann das Bauelement eine ESD-Schutzdiode umfassen. Diese ist Beispielsweise von der Schutzschicht und/oder der Verkapselung überdeckt.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Bauelement einen Träger mit einer Montagefläche, einen optoelektronischen Halbleiterchip, eine dielektrische Schutzschicht und eine dielektrische Verkapselung. Die Schutzschicht ist in einem Chipmontagebereich direkt auf die Montagefläche aufgebracht. Der Halbleiterchip ist im Chipmontagebereich auf die Schutzschicht aufgebracht und elektrisch leitend mit dem Träger verbunden. Die Verkapselung ist in einem Bereich neben dem Chipmontagebereich direkt auf die Montagefläche aufgebracht und in einem Überlappbereich direkt auf die Schutzschicht aufgebracht.
Der vorliegenden Erfindung liegt insbesondere die Erkenntnis zu Grunde, dass zum Schutz eines Trägers vor Korrosion dieser meist nach dem Aufbringen eines Halbleiterchips mit einer dielektrischen Schutzschicht bedeckt wird. Dadurch wird auch der Halbleiterchip mit der Schutzschicht bedeckt, was die für die Schutzschicht verwendbaren Materialien meist auf niedrigbrechende Materialien einschränkt, um die Auskoppeleffizienz aus dem Halbleiterchip nicht zu stark zu reduzieren. Zum anderen ist zwischen dem Halbleiterchip und dem Träger meist eine Kante oder ein Luftspalt ausgebildet, die beziehungsweise der mit der Schutzschicht nicht zuverlässig bedeckt werden kann. Beim Aufbringen der Schutzschicht reißt die Schutzschicht häufig im Bereich der Kante oder des Luftspalts, so dass in diesem Bereich der Träger nicht vor Korrosion geschützt ist.
Bei der vorliegenden Erfindung wird von einer Schutzschicht Gebrauch gemacht, die unterhalb des Halbleiterchips auf dem Träger angeordnet ist und den Träger in diesem Bereich vor Korrosion schützt. Die restlichen Bereiche der Montagefläche des Trägers werden mit einer von der Schutzschicht verschiedenen Verkapselung, die selbst eine Schicht sein kann, überdeckt. Die Verwendung einer von der Schutzschicht verschiedenen Verkapselung erlaubt eine elektrische Kontaktierung des Halbleiterchips mit dem Träger, denn die Verkapselung kann nach der elektrischen Kontaktierung des Trägers aufgebracht werden. Der Überlappbereich, in dem die Verkapselung direkt auf der Schutzschicht aufliegt, garantiert, dass im Übergangsbereich zwischen Schutzschicht und Verkapselung ein ausreichender Korrosionsschutz gegeben ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Montagefläche im Bereich neben dem Chipmontagebereich zumindest einen elektrischen Anschlussbereich auf. Der Anschlussbereich ist insbesondere metallisch ausgebildet. Dieser Anschlussbereich bildet einen Teil der Montagefläche des Trägers. Der Anschlussbereich ist nicht von der Schutzschicht überdeckt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Halbleiterchip über ein elektrisch leitendes Verbindungselement elektrisch leitend mit dem Anschlussbereich verbunden. Das Verbindungselement verbindet einen Kontaktbereich des Halbleiterchips mit dem Anschlussbereich. Der Kontaktbereich des Halbleiterchips ist bevorzugt an einer dem Träger abgewandten Seite des Halbleiterchips ausgebildet. Bei dem Verbindungselement handelt es sich zum Beispiel um einen Kontaktdraht oder eine Leiterbahn.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das elektrisch leitende Verbindungselement zumindest teilweise in der Verkapselung eingebettet. Die Verkapselung ist bevorzugt zumindest bereichsweise in direktem Kontakt zu dem Verbindungselement und umgibt das Verbindungselement dort formschlüssig. Insbesondere der Bereich des Verbindungselements, der der Anschlussfläche am nächsten liegt, ist in der Verkapselung eingebettet. Die Verkapselung überdeckt besonders bevorzugt die gesamte Anschlussfläche und ist direkt auf die Anschlussfläche aufgebracht.
Durch das Einbetten des Verbindungselements und das Überdecken der Anschlussfläche mit der Verkapselung wird der Träger in diesem Bereich vor Korrosion geschützt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der optoelektronische Halbleiterchip ein Volumenemitter, zum Beispiel ein Saphir-Chip oder ein Flip-Chip. In diesem Fall umfasst der Halbleiterchip insbesondere noch das Aufwachssubstrat, auf dem die Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterchips gewachsen ist. Bei dem Aufwachssubstrat kann es sich um Saphir handeln. Im bestimmungsgemäßen Betrieb des Halbleiterchips wird dann sowohl über eine Hauptemissionsseite als auch über quer zur Hauptemissionsseite verlaufende Seitenflächen des Halbleiterchips Strahlung emittiert. Beispielsweise werden über die Hauptemissionsseite zumindest 20 % und über die Seitenflächen jeweils zumindest 10 % der im Betrieb im Halbleiterchip erzeugten Primärstrahlung aus dem Halbleiterchip ausgekoppelt. Der Halbleiterchip ist auf der Montagefläche insbesondere so montiert, dass die Hauptemissionsseite von der Montagefläche abgewandt ist. Die Seitenflächen des Halbleiterchips verlaufen quer oder senkrecht zur Montagefläche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Montagefläche zumindest teilweise aus Silber gebildet. Insbesondere umfasst der Träger einen Leiterrahmen, der im Bereich der Montagefläche mit Silber beschichtet ist. Zum Beispiel sind zumindest ein Teil des Chipmontagebereichs und/oder der gesamte Anschlussbereich aus Silber gebildet. Bevorzugt sind zumindest 25 % oder zumindest 50 % der Fläche der Montagefläche aus Silber gebildet. Durch die silberhaltige Montagefläche ist ein hoher Reflexionsgrad für insbesondere sichtbares Licht gegeben. Silber ist jedoch besonders anfällig für Korrosion, so dass ein guter Schutz der Montagefläche vor Korrosion besonders wichtig ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Schutzschicht und die Verkapselung aus unterschiedlichen Materialien gebildet. Alternativ können die Schutzschicht und Verkapselung auch aus demselben Material gebildet sein, wobei dann trotzdem eine Grenzfläche zwischen der Schutzschicht und der Verkapselung im Überlappbereich vorhanden ist, die daraus resultiert, dass die Schutzschicht und die Verkapselung nacheinander auf den Träger aufgebracht und gehärtet oder angehärtet wurden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Verkapselung eine Schicht. Die Dicke der Schicht ist bevorzugt geringer als die Dicke des Halbleiterchips. Die Dicke des Halbleiterchips ist dessen Ausdehnung senkrecht zur Montagefläche. Im Bereich neben dem Halbleiterchip überragt die Verkapselung also den Halbleiterchip in Richtung weg vom Träger nicht. Die für die Schutzschicht gemachten Angaben bezüglich der Dicke können entsprechend für die Verkapselung gelten. Bevorzugt ist die Schichtdicke der Verkapselung größer gewählt als die der Schutzschicht. Dadurch kann ein besserer Korrosionsschutz im Bereich neben dem Halbleiterchip erreicht werden. Eine im Vergleich dünnere Schutzschicht hat den Vorteil einer guten thermischen Anbindung des Halbleiterchips an den Träger.
Die Verkapselung kann auch auf den Halbleiterchip aufgebracht sein. Beispielsweise überdeckt die Verkapselung den Halbleiterchip vollständig.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Bauelement eine Vergussmasse. Der Halbleiterchip ist in der Vergussmasse eingebettet. Die Vergussmasse ist zumindest auf die Verkapselung aufgebracht, insbesondere direkt aufgebracht. Die Verkapselung und die Schutzschicht sind bevorzugt aus einem anderen Material gebildet oder weisen ein anderes Material auf als die Vergussmasse. Die Vergussmasse basiert beispielsweise auf Silikon, insbesondere Klarsilikon. Teile des elektrisch leitenden Verbindungselements, die nicht in der Verkapselung eingebettet sind, sind beispielsweise in der Vergussmasse eingebettet.
Die Vergussmasse kann Leuchtstoffpartikel aufweisen, die zur Konversion der von dem Halbleiterchip im Betrieb emittierten Primärstrahlung in Sekundärstrahlung dienen. Diese können zum Beispiel in der Vergussmasse sedimentiert sein. Alternativ kann die Vergussmasse komplett klarsichtig für die Primärstrahlung und/oder für eine Sekundärstrahlung sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform verläuft der Überlappbereich lateral vollständig um den Halbleiterchip. Das heißt, in Draufsicht auf die Montagefläche betrachtet, bildet der Überlappbereich einen zusammenhängenden Rahmen ohne Unterbrechungen rings um den Halbleiterchip.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Halbleiterchip dazu eingerichtet, im Betrieb elektromagnetische Primärstrahlung zu erzeugen. Das Bauelement umfasst bevorzugt ein Konversionselement, das dazu eingerichtet ist, im Betrieb zumindest einen Teil der Primärstrahlung in eine Sekundärstrahlung zu konvertieren. Das Konversionselement kann, wie bereits ausgeführt, durch die Vergussmasse gebildet sein. Alternativ kann das Konversionselement durch eine Schicht aus Konversionsmaterial auf dem Halbleiterchip gebildet sein. Das Konversionselement kann beispielsweise ein keramisches Konversionselement sein oder durch ein Pulver auf dem Halbleiterchip gebildet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Schutzschicht eine höhere Reflektivität für die Primärstrahlung auf als für die Sekundärstrahlung. Sowohl die Primärstrahlung als auch die Sekundärstrahlung haben eine dominante Wellenlänge, bei der die jeweilige Strahlung ein globales Intensitätsmaximum aufweist. Die Reflektivitäten beziehen sich insbesondere auf diese dominanten Wellenlängen. Die dominanten Wellenlängen der Primärstrahlung und der Sekundärstrahlung unterscheiden sich beispielsweise um zumindest 50 nm oder zumindest 100 nm. Beispielsweise ist die Reflektivität der Schutzschicht für die Primärstrahlung zumindest 10 % oder zumindest 50 % oder zumindest 100 % größer als für die Sekundärstrahlung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Verkapselung eine höhere Reflektivität für die Sekundärstrahlung als für die Primärstrahlung auf. Beispielsweise ist die Reflektivität der Verkapselung für die Sekundärstrahlung zumindest 10 % oder zumindest 50 % oder zumindest 100 % größer als für die Primärstrahlung.
Die unterschiedlichen und an die jeweilige Strahlung angepassten Reflektivitäten können beispielsweise durch eine mehrschichtige Struktur erreicht werden. Beispielsweise weisen die Schutzschicht und/oder die Verkapselung jeweils zumindest zwei Teilschichten auf. Eine zweite Teilschicht, die zwischen dem Träger und einer ersten Teilschicht angeordnet ist, weist einen höheren Brechungsindex als die erste Teilschicht auf. Beispielsweise weist die zweite Teilschicht einen zumindest 1,5-mal so großen oder zumindest zweimal so großen Brechungsindex auf wie die erste Teilschicht. Die zweite Teilschicht ist beispielsweise aus Titandioxid gebildet, wohingegen die erste Teilschicht aus Siliziumdioxid gebildet sein kann. Zwischen der zweiten Teilschicht und dem Träger kann eine dritte Teilschicht vorhanden sein, die bevorzugt aus demselben Material wie die erste Teilschicht gebildet ist.
Die zweite Teilschicht weist bevorzugt eine Dicke von zirka λ/4, beispielsweise eine Dicke zwischen einschließlich 0,9·λ/4 und A/4 oder zwischen einschließlich 0,95·λ/4 und λ/4, auf, wobei A die dominante Wellenlänge der Strahlung ist, die stärker reflektiert werden soll. Durch den hohen Brechungsindexunterschied von der ersten Teilschicht zur zweiten Teilschicht wird die gesamte aus der ersten Teilschicht auf die zweite Teilschicht treffende Strahlung zu sehr kleinen Winkeln hin gebrochen. Die Weglänge in der zweiten Teilschicht beträgt dann nahezu unabhängig vom Einfallswinkel λ/4, beziehungsweise nach einer Reflexion λ/2. So kann konstruktive Interferenz für die gewünschte dominante Wellenlänge erreicht werden.
Die Schichtdicke der Schutzschicht und/oder die Dicke der Verkapselung sind bevorzugt größer als die halbe dominante Wellenlänge der Primärstrahlung und/oder der Sekundärstrahlung. Zum Beispiel sind die Dicken der Schutzschicht und/oder der Verkapselung jeweils zumindest 0.5 A oder zumindest λ, wobei A die dominante Wellenlänge der Primärstrahlung oder der Sekundärstrahlung ist. Eine Dicke von zumindest 0.5 A sorgt für eine verbesserte Totalreflexion.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Schutzschicht einen niedrigeren Brechungsindex auf als die Verkapselung. Die Brechungsindizes werden hier bei der dominanten Wellenlänge der Primärstrahlung verglichen. Insbesondere sind die Realteile der Brechungsindizes gemeint. Außerdem ist der jeweilige mittlere Brechungsindex gemeint.
Beispielsweise ist der Brechungsindex der Schutzschicht höchstens 95 % oder höchstens 90 % oder höchstens 80 % oder höchstens 70 % des Brechungsindex der Verkapselung. Ein niedriger Brechungsindex für die Schutzschicht unterhalb des Halbleiterchips ist vorteilhaft in Bezug auf eine hohe Reflektivität für die Primärstrahlung. Im Bereich neben dem Halbleiterchip/Chipmontagebereich ist eine hohe Reflektivität dagegen weniger wichtig. Die Verkapselung kann bezüglich anderer physikalischer Eigenschaften, beispielsweise einer erhöhten Schutzfähigkeit gegen Korrosion, optimiert sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform überdeckt die Verkapselung den Halbleiterchip. Die Verkapselung erstreckt sich beispielsweise zusammenhängend und ohne Unterbrechungen über den Halbleiterchip. In Draufsicht auf die Montagefläche betrachtet ist der Halbleiterchip zum Beispiel vollständig von der Verkapselung überdeckt. Auf diese Weise kann auch ein Schutz des Halbleiterchips vor äußeren Einflüssen verbessert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Verkapselung ausschließlich im Bereich neben dem Halbleiterchip angeordnet. „Neben“ bezieht sich auf eine Richtung parallel zur Montagefläche. Die Verkapselung überdeckt den Halbleiterchip also nicht oder nicht vollständig. Insbesondere überdeckt die Verkapselung nicht die Hauptemissionsseite des Halbleiterchips. In diesem Fall muss die Verkapselung vorteilhaft nicht auf eine hohe Transparenz für die vom Halbleiterchip emittierte Primärstrahlung ausgelegt sein, was die infrage kommenden Materialien für die Verkapselung und die damit einhergehende Schutzwirkung erhöht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Schutzschicht und/oder die Verkapselung aus einem anorganischen Material gebildet. Zum Beispiel weisen die Schutzschicht und/oder Verkapselung ein oder mehrere anorganische Oxide oder Oxinitride oder Nitride auf oder bestehen daraus. Das oder die Oxide oder Oxinitride oder Nitride können ein oder mehrere Elemente der folgenden Gruppe aufweisen: Silizium, Aluminium, Titan, Zink, Indium, Zinn, Niob, Tantal, Hafnium, Zirkon, Yttrium, Germanium. Beispielsweise umfassen die Schutzschicht und/oder die Verkapselung Siliziumoxid, wie etwa SiO₂, Aluminiumoxid, Titanoxid, wie etwa TiO₂, Zinkoxid, Indiumoxid, Zinnoxid, Tantaloxid, Nioboxid, Hafniumoxid, Zirkonoxid, Yttriumoxid, Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid, Magnesiumfluorid oder Germaniumnitrid oder bestehen daraus.
Die Verkapselung kann alternativ aber auch auf einem organischen Material basieren. Die Verkapselung ist dann bevorzugt undurchlässig für die Primärstrahlung und/oder Sekundärstrahlung. Zum Beispiel ist die Verkapselung ein Silikon mit darin eingebetteten Streupartikeln.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Träger einen Leiterrahmen und einen dielektrischen Gehäusekörper. Der Leiterrahmen ist in dem Gehäusekörper eingebettet. Der Gehäusekörper besteht beispielsweise aus einem Kunststoff oder aus Epoxid. Der Leiterrahmen umfasst bevorzugt zumindest zwei voneinander elektrisch isolierte Abschnitte. Den zwei Abschnitten sind im bestimmungsgemäßen Betrieb des Bauelements bevorzugt unterschiedliche elektrische Polaritäten oder Potenziale zugeordnet. Der Leiterrahmen umfasst beispielsweise Kupfer.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umgibt der Gehäusekörper lateral eine Ausnehmung, in der der Halbleiterchip angeordnet ist. „Lateral“ bezieht sich auf eine Richtung parallel zur Montagefläche. Die Ausnehmung kann die Form eines Kegelstumpfes oder eines Pyramidenstumpfes haben. Bevorzugt vergrößert sich der Durchmesser der Ausnehmung in Richtung weg von der Montagefläche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Montagefläche sowohl im Chipmontagebereich als auch in dem Bereich, auf den die Verkapselung direkt aufgebracht ist, zumindest abschnittsweise durch den Leiterrahmen gebildet. In diesen Bereichen ist der Leiterrahmen bevorzugt mit Silber beschichtet.
Als nächstes wird das Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements angegeben. Mit dem Verfahren kann insbesondere ein wie hier beschriebenes optoelektronisches Bauelement hergestellt werden. Alle im Zusammenhang mit dem optoelektronischen Bauelement offenbarten Merkmale sind daher auch für das Verfahren offenbart und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst dieses einen Schritt A), in dem ein Träger mit einer Montagefläche bereitgestellt wird. In einem Schritt B) wird eine dielektrische Schutzschicht auf der Montagefläche in einem Chipmontagebereich der Montagefläche ausgebildet. In einem Schritt C) wird ein optoelektronischer Halbleiterchip auf die Schutzschicht aufgebracht. In einem Schritt D) wird der Halbleiterchip mit dem Träger elektrisch verbunden. In einem Schritt E) wird eine Verkapselung direkt auf die Montagefläche in einem Bereich neben dem Chipmontagebereich sowie direkt auf die Schutzschicht in einem Überlappbereich aufgebracht.
Die Schritte A) bis E) werden bevorzugt nacheinander in alphabetischer Reihenfolge ausgeführt. Die Schutzschicht und/oder die Verkapselung können mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) oder chemischer Gasphasenabscheidung, wie beispielsweise PECVD, oder Atomlagenabscheidung (ALD), aufgebracht werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird im Schritt B) eine Schattenmaske zur Aufbringung der Schutzschicht in vordefinierten Bereichen des Trägers verwendet. Eine Öffnung der Schattenmaske gibt die Form und Größe der abzuscheidenden Schutzschicht wieder. Die Schattenmaske kann direkt auf dem Träger aufgebracht werden, den Träger also berühren. In diesem Fall kann die Schutzschicht auch über Sputtern aufgebracht werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird im Schritt E) eine weitere Schattenmaske zur Aufbringung der Verkapselung in vordefinierten Bereichen des Trägers verwendet. Insbesondere kann durch die weitere Schattenmaske die Verkapselung ausschließlich in Bereichen neben dem Halbleiterchip aufgebracht werden. Der Halbleiterchip kann also vor einer Bedeckung mit der Verkapselung geschützt werden.
Da die weitere Schattenmaske den Halbleiterchip und/oder die Verbindungselemente bevorzugt nicht berühren sollte und deshalb in einem gewissen Abstand zum Träger/Halbleiterchip gehalten werden sollte, wird die Verkapselung bevorzugt mit einem gerichteten Abscheideverfahren, wie zum Beispiel PVD in Form von Verdampfen oder Laserstrahlverdampfen (Englisch: Pulsed-Laser-Deposition) oder Sprühbeschichtung, aufgebracht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird im Schritt E) die Verkapselung ganzflächig auf den Träger aufgebracht. Es wird dann beispielsweise keine Maske zur Aufbringung der Verkapselung benutzt. Die Verkapselung überdeckt dann insbesondere auch den Halbleiterchip.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des optoelektronischen Bauelements und des Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen. Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente, insbesondere Schichtdicken, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Es zeigen:

1 bis 4 Ausführungsbeispiele des optoelektronischen Bauelements jeweils in einer Querschnittsansicht,
5A bis 5G ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens anhand von Ansichten verschiedener Zwischenpositionen in dem Verfahren.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des optoelektronischen Bauelements 100 in einer Querschnittsansicht. Das Bauelement 100 umfasst einen Träger 1. Der Träger 1 umfasst einen Leiterrahmen 13, der in einem Gehäusekörper 14 eingebettet ist. Der Gehäusekörper 14 ist beispielsweise aus Kunststoff, insbesondere aus einem lichtundurchlässigen Kunststoff gebildet. Der Leiterrahmen 13 umfasst beispielsweise Kupfer. Der Leiterrahmen 13 umfasst zumindest zwei Abschnitte, die im bestimmungsgemäßen Betrieb des Bauelements 100 auf unterschiedlichen elektrischen Potenzialen liegen. An einer Rückseite des Trägers 1 liegen die Abschnitte des Leiterrahmens 13 frei und dienen zur externen elektrischen Kontaktierung.

Der Gehäusekörper 14 umgibt in einer lateralen Richtung eine Ausnehmung. Eine Bodenfläche der Ausnehmung ist durch eine im Wesentlichen ebene Montagefläche 10 des Trägers 1 gebildet. In der Ausnehmung auf der Montagefläche 10 ist ein optoelektronischer Halbleiterchip 2 montiert. Die Montagefläche 10 ist bereichsweise durch den Leiterrahmen 13 gebildet. In dem Bereich der Montagefläche 10 ist der Leiterrahmen 13 zum Beispiel mit Silber beschichtet, um eine hohe Reflektivität für eine von dem Halbleiterchip 2 emittierte Primärstrahlung zu gewährleisten.
Der optoelektronische Halbleiterchip 2 emittiert im Betrieb eine Primärstrahlung, beispielsweise im blauen Spektralbereich oder im UV-Bereich. Bei dem Halbleiterchip 2 der 1 handelt es sich zum Beispiel um einen Saphir-Chip, bei dem ein Aufwachssubstrat einer zugehörigen Halbleiterschichtenfolge durch Saphir gebildet ist. Das Aufwachssubstrat ist dann zwischen dem Träger 1 und der Halbleiterschichtenfolge angeordnet.
Der Halbleiterchip 2 umfasst zwei Kontaktbereiche 23 auf einer vom Träger 1 abgewandten Seite. Die Kontaktbereiche 23 sind jeweils über ein elektrisch leitendes Verbindungselement 22 in Form eines Kontaktdrahts mit elektrischen Anschlussbereichen 12 der Montagefläche 10 elektrisch leitend verbunden. Die Anschlussbereiche 12 sind jeweils durch einen Abschnitt des Leiterrahmens 13 gebildet. Insofern ist der Halbleiterchip 2 über den Leiterrahmen 13 elektrisch kontaktierbar.
Zwischen dem Halbleiterchip 2 und dem Träger 1 ist eine zusammenhängende, dielektrische Schutzschicht 31 angeordnet. Die dielektrische Schutzschicht 31 bedeckt einen Chipmontagebereich 11 der Montagefläche 10 und steht mit diesem in direktem Kontakt. Die Schutzschicht 31 ist insbesondere aus einem anorganischen Material, beispielsweise aus einem oder mehreren Oxiden, gebildet. Zum Beispiel umfasst die Schutzschicht 31 zumindest eine Schicht aus SiO₂.
Die Schutzschicht 31 weist eine größere laterale Ausdehnung als der Halbleiterchip 2 auf, so dass die Schutzschicht 31 seitlich von dem Halbleiterchip 2 hervorsteht. Die Schutzschicht 31 überdeckt dabei aber nicht die gesamte Montagefläche 10 des Trägers 1. Insbesondere sind die Anschlussbereiche 12 dort, wo sie mit den Verbindungselementen 22 verbunden sind, nicht von der Schutzschicht 31 überdeckt.
Auf die Bereiche neben dem Chipmontagebereich 11 ist unmittelbar auf die Montagefläche 10 eine Verkapselung 32 aufgebracht. Die Verkapselung 32 ist außerdem in einem Überlappbereich 312 unmittelbar auf die Schutzschicht 31 aufgebracht. Die Verbindungselemente 22 sind zumindest teilweise in der Verkapselung 32 eingebettet.
Bei der Verkapselung 32 handelt es sich vorliegend ebenfalls um eine Schicht, bevorzugt aus einem anorganischen Material.
Die Verkapselung 32 besteht beispielsweise aus demselben Material wie die Schutzschicht 31. Die Schutzschicht 31 und die Verkapselung 32 zusammen überdecken alle Bereiche der Montagefläche 10, die aus dem Leiterrahmen 13, insbesondere aus dem Silber des Leiterrahmens 13 gebildet sind, und schützen so den Leiterrahmen 13 vor Korrosion.
Auf dem Halbleiterchip 2 und im Bereich neben dem Halbleiterchip 2 ist ein Konversionselement 4 angeordnet. Die Verkapselung 32 und die Schutzschicht 31 befinden sich zwischen dem Träger 1 und dem Konversionselement 4. Das Konversionselement 4 konvertiert im bestimmungsgemäßen Betrieb zumindest einen Teil der von dem Halbleiterchip 2 emittierten Primärstrahlung in eine davon verschiedene, längerwellige Sekundärstrahlung. Der Rest der Ausnehmung ist mit einer Vergussmasse 33, beispielsweise in Form eines Klarsilikons, aufgefüllt.
In der 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des optoelektronischen Bauelements 100 gezeigt. Das Ausführungsbeispiel der 2 unterscheidet sich von dem der 1 darin, dass für die Verkapselung 32 keine Schicht aus einem anorganischen Material verwendet ist, sondern ein Verguss aus einem organischen Material, beispielsweise aus einem lichtundurchlässigen Silikon. Aber auch hier ist die Verkapselung 32 im Bereich neben dem Chipmontagebereich 11 direkt auf die Montagefläche 10 aufgebracht und überlappt in einem Überlappbereich 312 mit der Schutzschicht 31. Ferner sind die elektrisch leitenden Verbindungselemente 22 zumindest teilweise in der Verkapselung 32 eingebettet.
In der 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel gezeigt. Dieses entspricht im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel der 1, mit dem Unterschied, dass nun die Verkapselung 32 als eine Schicht gebildet ist, die aus einem anderen Material besteht oder ein anderes Material aufweist als die Schutzschicht 31. Beispielsweise weist hier die Schutzschicht 31 eine höhere Reflektivität für die Primärstrahlung als für die Sekundärstrahlung auf, wohingegen die Verkapselung 32 eine höhere Reflektivität für die Sekundärstrahlung als für die Primärstrahlung aufweist.
In den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen der 1 bis 3 ist die Verkapselung 32 jeweils ausschließlich in den Bereichen neben dem Halbleiterchip 2 angeordnet, so dass die Verkapselung 32 den Halbleiterchip 2 nicht überdeckt. In dem vierten Ausführungsbeispiel der 4 hingegen ist die Verkapselung 32 als eine zusammenhängende Schicht ohne Unterbrechungen ausgebildet, die sich sowohl in den Bereichen neben dem Halbleiterchip 2 und dem Chipmontagebereich 11 als auch über den Halbleiterchip 2 hinweg erstreckt. Dadurch wird ein zusätzlicher Schutz des Halbleiterchips 2 erreicht. Die Verkapselung 32 ist beispielsweise wiederum durch ein anorganisches Material, beispielsweise durch SiO₂, gebildet.
In der 5A ist eine Position in einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens gezeigt. In dieser Position ist ein Träger 1, umfassend einen Leiterrahmen 13 und einen Gehäusekörper 14, wie auch im Zusammenhang mit den vorherigen Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, bereitgestellt.
In der in der 5B gezeigten nachfolgenden Position des Verfahrens wird mithilfe einer Schattenmaske 5 eine dielektrische Schutzschicht 31 in einem Chipmontagebereich 11 der Montagefläche 10 direkt auf die Montagefläche 10 abgeschieden. Die Schattenmaske 5 ist dabei so eingerichtet, dass die Schutzschicht 31 nur einen Teil der Montagefläche 10 bedeckt und elektrische Anschlussbereiche 12 neben dem Chipmontagebereich 11 frei von der Schutzschicht 31 bleiben. Die Schattenmaske kann für das Abscheiden der Schutzschicht 31 direkt auf die Montagefläche 10 aufgebracht werden, wodurch dann viele verschiedene Abscheidetechniken in Frage kommen.
In der 5C ist in der linken Abbildung das Ergebnis nach dem Aufbringen der Schutzschicht 31 gezeigt. Dabei ist eine Draufsicht auf die Montagefläche 10 gewählt. Die von dem Gehäusekörper 14 umgebene Ausnehmung weist eine rechteckige Querschnittsfläche auf. Die Schutzschicht 31 überdeckt einen ersten Abschnitt des Leiterrahmens 13 teilweise, der zweite Abschnitt ist frei von der Schutzschicht 31. Eine Aussparung für eine Kontaktierung ist bei dem ersten Abschnitt des Leiterrahmens 13 freigelassen.
In der rechten Abbildung der 5C ist die Schattenmaske 5 gezeigt, mit der eine Schutzschicht 31 wie in der linken Abbildung gezeigt herstellbar ist.
In der 5D ist eine Position in dem Verfahren gezeigt, in der ein optoelektronischer Halbleiterchip 2 auf die Schutzschicht 31 aufgebracht ist. Außerdem ist der Halbleiterchip 2 über Verbindungselemente 22 in Form von Kontaktdrähten elektrisch leitend mit den freiliegenden, elektrischen Anschlussbereichen 12 der Montagefläche 10 elektrisch leitend verbunden.
In der Position der 5E ist gezeigt, wie mithilfe einer weiteren Schattenmaske 6 nun eine Verkapselung 32 im Bereich neben dem Halbleiterchip 2 aufgebracht wird, wobei die weitere Schattenmaske 6 eine Bedeckung des Halbleiterchips 2 mit der Verkapselung 32 verhindert. Die Verkapselung 32 wird dabei insbesondere direkt auf die Montagefläche 10 im Bereich neben dem Chipmontagebereich 11 und überlappend mit der Schutzschicht 31 ausgebildet. Bevorzugt wird die Verkapselung 32 erst aufgebracht, wenn die Schutzschicht 31 ausgehärtet oder angehärtet ist. Dabei werden die Kontaktdrähte 22 teilweise in der Verkapselung 32 eingebettet. Insbesondere werden mit der Schutzschicht 31 und der Verkapselung 32 alle durch den Leiterrahmen 13 gebildeten Bereiche der Montagefläche 10 abgedeckt und so vor Korrosion geschützt.
In der 5F, linke Abbildung, ist eine Draufsicht auf die Montagefläche 10 nach dem Ausbilden der Verkapselung 32 gezeigt. In der rechten Abbildung ist die dafür verwendete, weitere Schattenmaske 6 dargestellt. Wie in der linken Abbildung zu erkennen ist, überdecken die Verkapselung 32 und die Schutzschicht 31 alle Bereiche des Leiterrahmens 13.
5G zeigt eine weitere Position in dem Verfahren, in der das optoelektronische Bauelement 100 fertig gestellt ist. Dazu wurden in die Ausnehmung noch ein Konversionselement 4 sowie eine Vergussmasse 33 eingefüllt.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn diese Merkmale oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

1: Träger
2: Halbleiterchip
4: Konversionselement
5: Schattenmaske
6: weitere Schattenmaske
10: Montagefläche
11: Chipmontagebereich
12: Anschlussbereich
13: Leiterrahmen
14: Gehäusekörper
22: elektrisch leitendes Verbindungselement
23: Kontaktbereich
31: dielektrische Schutzschicht
32: dielektrische Verkapselung
33: Vergussmasse
100: optoelektronisches Bauelement
312: Überlappbereich

Claims

Optoelektronisches Bauelement (100) umfassend - einen Träger (1) mit einer Montagefläche (10), - einen optoelektronischen Halbleiterchip (2), - eine dielektrische Schutzschicht (31), - eine dielektrische Verkapselung (32), wobei - die Schutzschicht (31) in einem Chipmontagebereich (11) direkt auf die Montagefläche (10) aufgebracht ist, - der Halbleiterchip (2) im Chipmontagebereich (11) auf die Schutzschicht (31) aufgebracht ist und elektrisch leitend mit dem Träger (1) verbunden ist, - die Verkapselung (32) in einem Bereich neben dem Chipmontagebereich (11) direkt auf die Montagefläche (10) aufgebracht ist und in einem Überlappbereich (312) direkt auf die Schutzschicht (31) aufgebracht ist.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach Anspruch 1, wobei - die Montagefläche (10) im Bereich neben dem Chipmontagebereich (11) zumindest einen elektrischen Anschlussbereich (12) aufweist, - der Halbleiterchip (2) über ein elektrisch leitendes Verbindungselement (22) elektrisch leitend mit dem Anschlussbereich (12) verbunden ist, - das elektrisch leitende Verbindungselement (22) zumindest teilweise in der Verkapselung (32) eingebettet ist.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Montagefläche (10) zumindest teilweise aus Silber gebildet ist.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schutzschicht (31) und die Verkapselung (32) aus unterschiedlichen Materialien gebildet sind.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verkapselung (32) eine Schicht ist, deren Dicke geringer ist als die Dicke des Halbleiterchips (2).
Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend - eine Vergussmasse (33), wobei - der Halbleiterchip (2) in der Vergussmasse (33) eingebettet ist, - die Vergussmasse (33) zumindest auf die Verkapselung (32) aufgebracht ist, - die Verkapselung (32) und die Schutzschicht (31) aus einem anderen Material gebildet sind oder ein anderes Material aufweisen als die Vergussmasse (33).
Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Überlappbereich (312) lateral vollständig um den Halbleiterchip (2) verläuft.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - der Halbleiterchip (2) dazu eingerichtet ist, im Betrieb eine elektromagnetische Primärstrahlung zu erzeugen, - das Bauelement (100) ein Konversionselement (4) umfasst, das dazu eingerichtet ist, im Betrieb zumindest einen Teil der Primärstrahlung in eine Sekundärstrahlung zu konvertieren, - die Schutzschicht (31) eine höhere Reflektivität für die Primärstrahlung als für die Sekundärstrahlung hat, - die Verkapselung (32) eine höhere Reflektivität für die Sekundärstrahlung als für die Primärstrahlung hat.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schutzschicht (31) einen niedrigeren Brechungsindex aufweist als die Verkapselung (32) .
Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verkapselung (32) den Halbleiterchip (2) überdeckt.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Verkapselung (32) ausschließlich im Bereich neben dem Halbleiterchip (2) angeordnet ist.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schutzschicht (31) und die Verkapselung (32) aus einem anorganischen Material gebildet sind.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - der Träger (1) einen Leiterrahmen (13) und einen dielektrischen Gehäusekörper (14) umfasst, in dem der Leiterrahmen (13) eingebettet ist, - der Gehäusekörper (14) eine Ausnehmung, in der der Halbleiterchip (2) angeordnet ist, lateral umgibt, - die Montagefläche (10) sowohl im Chipmontagebereich (11) als auch in dem Bereich, auf den die Verkapselung (33) direkt aufgebracht ist, zumindest abschnittsweise durch den Leiterrahmen (13) gebildet ist.
Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements (100), umfassend die Schritte: A) Bereitstellen eines Trägers (1) mit einer Montagefläche (10), B) Ausbilden einer dielektrischen Schutzschicht (31) auf der Montagefläche (10) in einem Chipmontagebereich (11) der Montagefläche (10), C) Aufbringen eines optoelektronischen Halbleiterchips (2) auf die Schutzschicht (31), D) Elektrisches Verbinden des Halbleiterchips (2) mit dem Träger (1), E) Aufbringen einer Verkapselung (32) direkt auf die Montagefläche (10) in einem Bereich neben dem Chipmontagebereich (11) und direkt auf die Schutzschicht (31) in einem Überlappbereich (312).
Verfahren nach Anspruch 14, wobei im Schritt B) eine Schattenmaske (5) zur Aufbringung der Schutzschicht (31) in vordefinierten Bereichen des Trägers (1) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei im Schritt E) eine weitere Schattenmaske (6) zur Aufbringung der Verkapselung (32) in vordefinierten Bereichen des Trägers (1) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei im Schritt E) die Verkapselung (32) ganzflächig auf den Träger (1) aufgebracht wird.